謝 培,孫 寧,方 源,王麗婧,李 虹,喬 飛* (.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 000；.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 43006)

水動力條件是決定污染物運輸和分布的主要因素,尤其水庫地區(qū),與開放水域的水交換非常有限,極易受到營養(yǎng)物或有毒物質(zhì)的影響[1-2].國際湖泊環(huán)境委員會根據(jù)水體停留時間將地表水分為3大類,小于20d定義為河流區(qū),20～300d之間定義為河湖過渡區(qū),大于300d定義為湖泊區(qū),該分類也可用于表征水體富營養(yǎng)化的敏感性[3].水庫地區(qū)人為大壩調(diào)節(jié)是控制水體和污染物運輸?shù)闹饕^程[4],閘壩建設(shè)對河道水文情勢產(chǎn)生顯著影響,河流流速減緩,滯留時間增長,氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的輸送能力受阻.研究表明閘壩建設(shè)較多的河流,水體富營養(yǎng)化時有發(fā)生[5-7],三峽水庫、丹江口水庫等建成后,曾發(fā)生過多次規(guī)模較大的硅藻水華[8-9].

三峽水庫作為特大的河道型水庫,人為調(diào)度運行導(dǎo)致庫區(qū)呈現(xiàn)枯水期高水位與洪水期低水位水動力特征,水庫成為干流河流型、支流湖泊型或河湖過渡型的多型水體.對于河湖過渡型水體水動力學(xué)特征介于河流與湖泊之間,我國地表水環(huán)境管理主要依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)[10]實施,在區(qū)分河流和湖泊總磷方面存在2～4倍的較大差異,不適宜采用河流或湖泊的任意一種營養(yǎng)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)進行評價.考慮到三峽水庫為典型的多型水庫,其水動力影響因素及總磷標(biāo)準(zhǔn)研究對我國水庫管理具有重要意義.因此,本文以三峽水庫及其主要支流為研究對象,對其水動力影響因素和河湖過渡型水體總磷標(biāo)準(zhǔn)制定的思路和方法進行了探討,以期為我國水庫保護和管理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

三峽水庫位于31'04'N～31°34'N,110°25'E～111°06'E,庫容 393億m3,流域面積 1080km2.作為一個由大壩和支流組成的復(fù)雜人工網(wǎng)絡(luò),自建成以來,對長江流域的水文產(chǎn)生了重大影響.按照調(diào)度方式,全年劃分為泄水期(4～5月)、低水位期(6～9月)、蓄水期(9～10月)、高水位期(11～翌年3月).水庫管理的水位和流量變化與自然季節(jié)變化相反[11],導(dǎo)致庫區(qū)水體形態(tài)、水文情勢發(fā)生巨大變化并伴生水環(huán)境演變的深遠影響.

2003年蓄水期間,大寧河首次出現(xiàn)水華,隨后其他支流也出現(xiàn)了水華呈上升趨勢的報道,而且隨著水位上升,受水華影響的區(qū)域逐漸延伸至三峽庫區(qū)上游[12].近年來,由于水動力影響支流藻華逐漸成為突出問題,而大壩和蓄水對庫區(qū)及其支流水動力的影響仍然知之甚少.因此,本文模擬了 2010～2018年庫區(qū)和17條支流的水文循環(huán)過程,以探索庫區(qū)及支流水動力的時空變化規(guī)律.研究區(qū)域為從重慶朱坨到三峽大壩 800km 長江干流河段,以及主要支流R.1～R.17(圖1).在干流中設(shè)置了9個采樣點,以監(jiān)測水位、流速、水溫和水質(zhì)變量.

圖1 研究區(qū)域示意Fig.1 The map of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 模型簡介 本文利用Hamrick[13]開發(fā)的EFDC模型模擬庫區(qū)及支流的水動力.EFDC的水動力模型由連續(xù)性方程、動量方程、狀態(tài)方程和 Mellor-Yamada-2.5湍流閉合方案組成[14-15],用于計算垂直湍流粘度和擴散率.本研究模擬期為2010年1月～2018年12月,模型時間步長設(shè)置為動態(tài)步長,范圍為5～90s.計算域總共被劃分為2384個網(wǎng)格單元,垂直方向上在大壩附近部署2層,如圖2.模型在東部設(shè)置開邊界為水位邊界,年內(nèi)波動顯著,最小值為145m,最大值為175m.此外,中國氣象局提供的氣象數(shù)據(jù)和不同深度觀測的溫度數(shù)據(jù)被用作上游邊界條件.

圖2 模型網(wǎng)格與邊界設(shè)置Fig.2 Unstructured grid and the boundary conditions setting

1.2.2 水齡計算 庫區(qū)水動力特征通過建立水齡模型進行表征,水齡量化了水包進入研究區(qū)域后經(jīng)過的時間,提供了特定水源在給定時間和位置下的所有水包的代數(shù)年齡[16].基于示蹤劑的水齡建模方法已被廣泛應(yīng)用[17-18].根據(jù) Delhez等[19]和Deleersnijder等[20]提出的理論,示蹤劑的平均年齡a(t,x)位置x和時間t下的平均年齡計算如下:

式中:C(t,x)為示蹤劑的濃度;α(t,x)為年齡濃度,計算如下:

式中:c(t,x,τ)為水齡τ在 t時間和 x=(x,y,z)位置處的數(shù)值;水齡c(t,x,τ)和示蹤劑的濃度C(t,x)關(guān)系如下:

根據(jù)這一理論,C(t,x)和α(t,x)均受對流擴散方程控制:

式中:V=(u,v,w)是x、y和z方向上的水流速度分量; K是水平和垂直方向上的擴散張量.

1.2.3 率定與驗證 參數(shù)率定:本研究選擇2010年1～12月作為率定期,水動力參數(shù)率定包括水平彌散系數(shù)(AHO)和粗糙高度(ROUGHNESS).AHO采用Smagorinsky公式計算得到,采用 AHO=1.0m2/s.ROUGHNESS為空間分布變量,根據(jù)模擬結(jié)果進行調(diào)整,分布范圍為0.12～0.25m.本研究選用水位數(shù)據(jù)對模型進行率定,各斷面模擬值和實測值相關(guān)性高于0.9,且均值相對誤差小于0.2%.

模型驗證:三峽庫區(qū)水動力特征存在空間異質(zhì)性,主要表現(xiàn)為干流和支流的流量和流速差異.金沙江(長江干流)的年平均流速達為0.72m/s,嘉陵江為0.39m/s,烏江為0.05m/s,而其他支流的年平均流速僅為0.01～0.03m/s.三峽水庫的蓄水量和流域面積可由模擬得到的水位-面積-容量曲線表示,由圖3可知水位175m時,庫區(qū)蓄水量為400億m3,流域面積為1073km2,與庫區(qū)實際情況表現(xiàn)較為一致.模型驗證選取 2010～2014年水位和水溫數(shù)據(jù),采用納什效率系數(shù)(NSE)和均方根誤差(RMSE)對各監(jiān)測點的水位和水溫的模擬值與觀測值進行比較(表1),誤差均在可接受的范圍內(nèi),模型能夠高精度地模擬庫區(qū)水動力情況.

圖3 三峽庫區(qū)水位-面積-容量曲線Fig.3 The elevation-volume-area curve

表1 水位和水溫模擬誤差分析Table 1 Error Analysis of water level and temperature simulation

2 結(jié)果分析

2.1 水齡分布及分區(qū)結(jié)果

2.1.1 水齡分布特征 水齡由上游庫尾至下游庫首總體呈上升趨勢,在枯水期和平水期尤為明顯(圖4(a)),圖4(b)顯示水齡大小與水團流經(jīng)的距離(距零點朱沱的距離)密切相關(guān)(r＞0.9),即距離庫首愈近,水齡愈大,靠近庫首的壩前斷面水齡高達 112d.眾所周知,三峽大壩和周期性蓄水對船舶、水力發(fā)電、洪水操縱和灌溉都有很大的貢獻,但富營養(yǎng)化和水華的風(fēng)險經(jīng)常在支流中出現(xiàn)[21-22].由水齡分布規(guī)律可知,上游庫尾至下游庫首水體的水動力受庫區(qū)影響逐漸增大,水體流速逐漸減緩,湖泊屬性逐漸增強,壩前支流相較于上游支流更易于出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象.圖4(c)揭示了水齡年內(nèi)變化曲線,高水位期下水齡呈上升趨勢.具體表現(xiàn)為9～翌年4月逐漸增加,于4月達到最大值,繼而從4～9月逐漸降低,于9月達到最小值,結(jié)合三峽大壩調(diào)度規(guī)律可知,4～9月為三峽水庫下泄和蓄水期,水體更新交換能力大,水齡可下降至高水位期下水齡的1/2～1/4.

圖4 水齡時空分布特征及其與水體流經(jīng)距離的關(guān)系Fig.4 The temporal and spatial distribution characteristics of water age and its relationship with the flowing distance

2.1.2 分區(qū)結(jié)果 采用EFDC模型模擬2010～2018年三峽水庫流域水齡過程,基于年際和年內(nèi)不同水期的水齡分區(qū)結(jié)果基本一致,整個水庫流域被劃分為3部分,如圖5所示,干流以清溪場為界的上游河流區(qū)和清溪場至三峽大壩的河湖過渡區(qū);金沙江、嘉陵江和烏江被劃分為河流區(qū)和河湖過渡區(qū);剩余 14條支流被劃分為河湖過渡區(qū)和湖泊區(qū).

圖5 基于水齡的分區(qū)結(jié)果Fig.5 The cluster analysis based on water age

2.2 水齡的應(yīng)用

2.2.1 水齡影響因素的確定 水量與閘壩調(diào)度時影響庫區(qū)水動力情勢的重要基礎(chǔ)變量,開展水動力影響研究,可定量理解水庫演變的人文作用機理[24-25].本文以水齡表征水動力特征,分析水齡與流量和水位的關(guān)系.結(jié)果表明,水齡與流量呈負相關(guān)趨勢.具體表現(xiàn)為蓄水期時流量由 10000m3/s上升為22000m3/s,水齡隨水流量的增大緩慢下降,由60d下降為30d左右,減小速率為約2d/(103m3/s),表達式為y=71.327e-0.00005x.泄水期時流量由10000m3/s降低為3000m3/s左右時水齡隨流量的減小急劇增大,由 30余天上升為100d左右,增大速率約為7d/(103m3/s),表達式為y=132.09e-0.0001x,變化速率較蓄水期大.

水齡與水位呈正相關(guān)趨勢.具體表現(xiàn)為蓄水期時水位由157m上升為175m時,水齡隨水位的上升而緩慢上升,由30d逐漸上升為50余天,增加速率為2d/m,表達式為y=0.0349e0.0417x.泄水期水位由 157m下降為145m 時,水齡隨水位的降低而急劇減小,由100d下降為30d左右,減小速率為6d/m,表達式為y=3×10-5e0.0961x,變化速率較蓄水期大.

2.2.2 總磷標(biāo)準(zhǔn)計算方法 河流和湖泊的總磷評價標(biāo)準(zhǔn)存在很大差異,準(zhǔn)確評價多型水庫的水質(zhì)尤為重要.本研究中河湖過渡區(qū)總磷標(biāo)準(zhǔn)采用基于水齡的權(quán)重法,計算公式如下:

式中:SR是地表水Ⅲ類水體的總磷標(biāo)準(zhǔn),0.2mg/L;SL為湖泊Ⅲ類水體的總磷標(biāo)準(zhǔn),0.05mg/L;WAi是位于i位置的水齡值;WAR和WAL分別是河流區(qū)和湖泊區(qū)的水齡值,分別為20d和300d.

圖6 水齡與流量河水位定量變化曲線Fig.6 Quantitative curve of water age with flow and water level

考慮到同一位置各月水齡存在較大差異,總磷標(biāo)準(zhǔn)按月尺度計算,同時,為進一步驗證該標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性與合理性,選擇庫區(qū)干流4個河流區(qū)斷面和6個河湖過渡區(qū)斷面進行標(biāo)準(zhǔn)值計算.如表4所示,計算得總磷標(biāo)準(zhǔn)分布范圍為0.16～0.20mg/L,其中河流區(qū)斷面朱沱、江津大橋、寸灘和清溪場總磷標(biāo)準(zhǔn)計算值為0.2mg/L,同《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[10]Ⅲ類水體的總磷標(biāo)準(zhǔn);蘇家11月～翌年4月,曬網(wǎng)壩12月～翌年5月,白帝城10月～翌年7月以及培石、秭歸和壩前斷面的總磷標(biāo)準(zhǔn)為水齡權(quán)重法的計算值.由表2標(biāo)準(zhǔn)值大小分布可知,曬網(wǎng)壩下游斷面總磷標(biāo)準(zhǔn)略低于其上游,這是由于磷的變化特征在很大程度上取決于自然過程[23],在不考慮區(qū)間來沙的情況下,2017年三峽庫區(qū)淤積泥沙主要集中在涪陵至云陽段(對應(yīng)本文清溪場至?xí)窬W(wǎng)壩段),大量磷隨泥沙淤積至沉積物中,導(dǎo)致曬網(wǎng)壩下游斷面總磷標(biāo)準(zhǔn)計算值略低.因此,該標(biāo)準(zhǔn)計算值具有科學(xué)性和合理性,同時能反映出庫區(qū)水體總磷時空變化特征.

表2 斷面總磷評價標(biāo)準(zhǔn)參考值(mg/L)Table 2 Reference value of total phosphorus evaluation standard for each section in reservoir area(mg/L)

3 結(jié)論

3.1 水體流經(jīng)上游庫尾至下游庫首過程中水齡愈來愈大,水動力受庫區(qū)影響也愈來愈大,湖泊屬性逐漸增強,壩前支流相較于上游支流更易于出現(xiàn)富營養(yǎng)化.大壩調(diào)度對水齡變化影響顯著,高水位運行期的水齡高達泄水、蓄水期的2～4倍.

3.2 選取以水齡為代表的水動力學(xué)特征指標(biāo),依據(jù)其分級標(biāo)準(zhǔn),對三峽水庫流域及17條主要支流進行區(qū)劃,將其劃分為河流區(qū)、河湖過渡區(qū)和湖泊區(qū).

3.3 水齡與水位呈正相關(guān)趨勢,與流量呈負相關(guān)趨勢,泄水期水齡變化速率較蓄水期明顯,變化區(qū)間介于 30～100d之間,當(dāng)流量減小時,水齡以 7d/(103m3/s)的速率增大,當(dāng)水位的降低時,水齡以6d/m的速率減小.

3.4 采用水齡權(quán)重法計算河湖過渡區(qū)水體總磷標(biāo)準(zhǔn),能夠反映庫區(qū)水體總磷時空變化特征.